7.1 O Núcleo Atómico7.2 Radioactividade

Capítulo 7

Marie Curie (1867-1934) ePierre Curie (1859-1906)

7.1 O Núcleo Atómico

1911: Rutherford propôs a estrutura atómica com um núcleo massivo, ou seja, com uma carga positiva concentrada no centro do átomo

O Raio do núcleo é 10 mil vezes menor que o raio do átomo, mas contém mais de 99,9 % da massa deste átomo

1932 é o ano que marca o início da Física Nuclear Moderna

Em 1932 James Chadwick (1891-1974) físico britânico e colaborador de Rutherford provou a existência do neutrão. Por esta descoberta, foi-lhe atribuído o Prémio Nobel de Física (1935).

Ficou claro que essa partícula era óptima para explorar o interior do núcleo

Descoberta do Neutrão

Neutrões

Características Gerais do Núcleo

Representação do núcleo

O núcleo atómico é composto de dois tipos

de partículas chamadas nucleões que são os:

Protões - carga eléctrica positiva

Neutrões - sem carga eléctrica

Z - número atómico Z é igual ao número de protões do núcleo

N - número de neutrões do núcleo

A - número de massa é igual ao número de nucleões: A = N + Z

Cada espécie nuclear com um dado Z e A é chamado de nuclídeo

Protões

Neutrões

A única excepção é o núcleo do H que só tem um protão

X - símbolo do elemento químicoXAZ

• Isômeros - núcleos num estado excitado com um tempo de decaimento longo (estado isomérico) - núcleo não estável

• Isóbaros - núcleos associados a elementos diferentes da tabela periódica mas com iguais números de massa, A

Exemplo: núcleos de berílio (Z = 4, N = 6, A=10), boro (Z = 5, N = 5, A=10) e carbono (Z = 6, N = 4, A=10 ) são núcleos isóbaros

• Isótonos - núcleos associados a elementos diferentes da tabela periódica mas com mesmo número de neutrões (mesmo N)

• Isótopos: núcleos associados ao mesmo elemento da tabela periódica (mesmo Z)

Exemplo: Hidrogénio (Z=1), temos isótopos com N=0 (A=1), N=1 (deutério) (A=2) e N=2 (trítio) (A=3)

Hidrogénio Deutério Trítio

A massa nuclear é expressa em unidades de massa atômica - u

1 u = =1.66054 × 10−27 kg = 931.49 MeV/c2

Corresponde a 1/12 massa de um átomo de carbono 12

Consideramos o núcleo como sendo aproximadamente uma esfera de raio R

R ~r0A1/3 onde r0 ≈ 1.2 × 10−15 m

Usamos a unidade fentometro (ou fermi) 1 fm = 10−15 m

ArRV 30

3

3

4

3

4 Volume do núcleo

Tamanho e Forma dos Núcleos

As formas de alguns núcleos afastam-se significativamente da forma esférica e devem ser consideradas elipsoidais ou, mesmo, com a forma de uma pêra

Lítio

V ~ A sugere que todos os núcleos têm aproximadamente a mesma densidade

A carta de nuclídeos apresenta os núcleos estáveis e radioactivos

A interacção forte é a força que mantém a coesão dos protões e neutrões no núcleo atómico

A linha de estabilidade representa os nuclídeos estáveis

• Para A ≤ 40, Z ≈ N

• Se A ≥ 40 (núcleos pesados, N > Z , porque força nuclear não depende do tipo de partícula que interage, se são protões (p) ou neutrões (n): nn, np, ou pp.

Estabilidade Nuclear

São mais estáveis:

Protões se repelem entre si para distâncias > 1 fm

A distribuição de energia do núcleo tem uma estrutura de camadas similar à do átomo

As camadas ficam completas de acordo com os números mágicos

Z ou N = 2, 8, 20 28, 50, 82, 126

Exemplos:

Spin Nuclear e Momento Magnético

1II

O núcleo possui um momento angular intrínseco resultante dos spins individuais dos protões e dos neutrões

I - número quântico chamado de spin nuclear

I - pode ser inteiro ou semi-inteiro

O Momento Angular do núcleo está associado ao Momento Magnético Nuclear

eV/T 1015.32

8p

N m

e

Energia de Ligação

A massa do núcleo é sempre menor do que a soma das massas dos seus nucleões

MH – massa atómica do hidrogénio

MN – massa atómica do neutrão

A energia de ligação é a energia que precisa ser adicionada a um núcleo para decompô-lo em suas componentes

c – a velocidade da luz no vácuo

2NH X cMNMZMB A

Z

XAZ – massa atómica do elemento

7.2 Radioactividade

1896, marcou o nascimento da Física Nuclear, quando Henry Becquerel descobriu a emissão de radiação por compostos de urânio

Rutherford mostrou que a radiação era de três tipos: partículas alfa, partículas beta e raios gama

Podemos ter também emissão de protões, neutrões

- positrão

- electrão

Marie Curie e Pierre Curie descobriram o polonium and o radium em 1898

Alfa, Beta e Gama têm poderes de penetração diferentes

papel metal concreto

Decaimento Radioactivo

Ndt

dN

O número de núcleos radioactivos que decaem, por unidade de tempo (taxa de variação de N )

N – número de núcleos radioactivos

é a constante de desintegração

O sinal negativo indica que o número total de núcleos diminui com o tempo

teNN 0

N - número de núcleos radioactivos remanescentes após um tempo t

No - número de núcleos radioactivos na amostra num tempo t = 0

Lei do decaimento radioactivo

Actividade (ou taxa de decaimento)

teAA 0onde NA 00 NA

ee

Unidades da actividade radioactiva1 becquerel = 1 Bq = 1 desintegração/s

1 curie = 1 Ci = 3,7 x 1010 desintegrações/s

É o tempo necessário para que N ou A se desintegre a metade dos seus valores iniciais

693.02ln

2/1 T

Meia-vida

N0

Datação com carbono - 14

• O 14C radioactivo é produzido na atmosfera da terra pelo bombardeamento de 14N por neutrões produzidos pelos raios cósmicos

• Quando organismos morrem, a absorção de 14C, na forma de CO2, por plantas e animais, cessa, e a razão 14C / 12C (= R) diminui com o decaimento do 14C

• A taxa de 14C / 12C para organismos vivos é da ordem de 1012 - a mesma proporção encontrada na atmosfera

• A meia-vida do 14C é de 5730 anos

• Como taxa de 14C / 12C diminui depois que o organismo morre, compara-se esta taxa com a do organismo vivo e sabendo-se a meia-vida, pode-se determinar a idade do material.